[发明专利]用于深槽的掺杂硅填充的工艺步骤

说明书

技术领域

本发明的实施方式主要涉及以低电阻率、掺杂的α-硅膜填充槽的方法以 及深槽电容器的制造。本发明更尤其涉及一种以原位掺杂的α-硅无空隙填充所 述深槽结构的方法。本发明的进一步特征为利用平行晶圆处理反应器提供原位 掺杂硅膜的有益生产的方法。

背景技术

具有砷(As)浓度从10²⁰/cm³到10²¹/cm³变化的砷掺杂α-硅膜用于多种半 导体器件应用中。所述应用包括字线、位线、连接垫(landing pads)、存储节 点/字节线接触塞、ROM器件中的栅极，以及在非易失性存储器中的浮栅极/ 控制栅极。为了工艺简化、产量和间隙填充控制，关于所述结构的制造优选地 使用原位掺杂工艺。与本发明具有特别相关的是在深槽动态随机存取存储器 (DRAM)器件中电极的制造中该掺杂硅膜的使用。对于这些膜重要的工艺要 求是：优越的厚度均匀性、掺杂浓度和面电阻、高掺杂剂活性、低电阻率和良 好的膜共形性。

这些槽电极的形成是包括多个工艺步骤的复杂工艺，其包括用于形成嵌入 式电容器结构的深槽的填充。参照图3，示出了具有大于25∶1孔径比的填充 的深槽结构50(不按比例)，其中所处理的晶圆经过多个制造步骤，其包括 通过诸如蚀刻的工艺形成深槽。掺杂阱54在邻近槽的多晶硅52中形成，由传 统方法(诸如通过以重掺杂硅填充随后热退火以将掺杂剂扩散到晶圆中)制造 掺杂阱，以及采用传统的薄膜沉积方法，在壁上形成电容器电介质56，氧化 物、氮化物以及氧化物(ONO)层的叠层以排列槽。

其后，通过由掺杂的α-硅60填充深槽，第二电容器电极由低电阻率、掺 杂的硅膜形成。一旦填充完槽，可沉积未掺杂的硅的帽层(未示出)并由随后 的化学机械研磨(CMP)以平坦化晶圆表面58。从这起，退火晶圆以在整个 填充槽的材料中更均匀分布并电激活掺杂剂。在进一步的处理步骤中，电容器 与晶圆表面上的其它结构电绝缘，并建立接触连接。

典型地，槽填充已在传统的扩散炉中执行，其可以水平或垂直对齐，这两 种对齐方式大部分都以相同的方式操作。通过图示出，在图1中示出了典型的 垂直LPCVD(低压化学气相沉积)炉。所示出的炉包括由石英炉10和腔室密 封板12组成的腔室，为了承载多个衬底16在该腔室内插入舟14。在原位掺 杂硅层形成中，硅烷(SiH₄)或其它类似的前驱物、诸如氢气或氮气的载气， 以及诸如砷化氢(AsH₃)或者磷化氢(PH₃)的掺杂剂气体从进气管20通过 腔室密封板12进入注气管18。气体经过密封板12并排气口24退出工艺腔室。 单独地控制及调整多个加热器元件26以补偿众所周知的随着气体从注气管18 流入腔室排气口24的进气浓度的消耗。

由于在该扩散炉中所出现的消耗效应，有必要在甚低气压下操作，一般低 于1托，更尤其为在100至200毫托的范围内。另外，将不充分的掺杂剂引入 到填充材料中，导致有效用于这些深槽电容器结构中的电阻率过高。然而，假 设需要在该低压下操作，膜沉积速度相当低，对于纯净硅的沉积典型为30至 200埃每分钟，如果引入掺杂剂气体则为5到30埃每分钟。因此为了实现满 意的处理晶圆的每小时产量，需要每次同时处理50到100块以上的晶圆。

在现有技术的扩散炉中，为了增加沉积速度在较高浓度反应气体中的操作 导致整个衬底上的非均匀沉积以及衬底之间在沉积速度上的不期望差别。增加 流速可以改善在较高压力下的沉积均匀性。然而，增加的气流升高了反应气体 压力，触发具有衬底的反应颗粒污染的气相成核。图1的反应器相关的另一缺 点包括在内部石英管10和注气管18上的膜沉积。该不必要的沉积降低了接近 衬底16的表面处反应原料气浓度的分压，当在管10和注气管18的壁上所沉 积的膜剥离并沉积在衬底16上时，并导致减小的沉积速度和所引起的潜在污 染。最终，为了弥补从进口到该类型反应器出口的反应化学物质的消耗，在整 个衬底负载区建立温度梯度。然而，该梯度的存在引起在多晶硅情形中的另一 问题。由于晶粒(grain)尺寸随温度而定，所需的温度梯度将引起在整个负载 区域上多晶硅晶粒尺寸变化。多个衬底内衬底之间晶粒尺寸的变化可引起关于 随后多晶硅的图案化的问题并导致形成的集成电路的电性能的变化。